2024构建100%可再生能源系统架构及能源转型路径探讨报告
许洪华郭金东鄂春良邵桂萍2024年8月17日 基本前提和思路 风光等可再生能源的成本和资源最相关，就近利用成本最低 未来能源体系风光等可再生能源提供主要能量，需要增加大量经济性的灵活性调节手段 从第一性原理出发，风光发电成本如此之低覆了现有能源系统的一些基本逻辑 保障能源安全前提端技术经济性判断未来发展超势唯有大势是难以阻档的 系统、全局思维：能源系统最优，全社会利益最大 气候变化、碳中和是阴谋还是难得机遇？ 实现碳中和需求： ◆占比80%以！保障能源安技术可行+经济性最优技术产业引 大胆假设：100%可再生能源能源零碳体系能够实现上述自标吗？ 目录 、建立100%可再生能源体系可能吗？专委会 二、如何构建100%可再生能源系统？ 三、煤电和电网如何支撑我国实现低碳低成本能源转型？ 四、100%可再生能源如何解决季节差的问题？ 五、发展建议 我国实现碳中和的需求 ■我国及世界碳排放的约90%和化石能源有关 12020年我国碳排放超过美国、区欧盟和印度之和合系统专委会 我国发电和工业过程碳排放超过85% 我国可再生能源资源丰富，产业技术领先 风光资源丰富 一技术可开发量超过1400亿干瓦，已开发量仅0.7% >可开发资源量的7%即100亿干瓦就满足能源需求 风光产业规模和技术全球领先 >全球70%以上的光伏组件，60%的风电装备产自中国 风光已成为最便宜能源 >风电、光伏发电成本已下降至0.1元/kWh左右 如何构建未来能源架构？ 国际和我国的研究表明，构建以可再生能源为主体的新型能源系统 不仅技术可行，在经济上也比用化石能源更便宜合系统专委 构建以可再生能源为主体的能源系统对我国有利 我国自前能源对外依存度高，化石能源资源不占优势我国可再生能源资源完全满足需求能源供应更安全我国可再生能源产业有优势 100%可再生能源体系能够保证能源安全吗？ 资源取之不尽用之不竭，产业、技术都端在自己手里，领先世界 平时和紧急情况下哪种能源体系更安全？ ／大一统、集中为主的能源体系 分层、分区域构建源网荷一体、冷热电联供可再生能源系统，就地消纳、就近协同远距离输送调剂的能源体系 小结 从资源、技术、产业、经济性、绿色可持续发展等方面来看，构建100%可再生能源体系完全可以满足中国未来能源需求！综合系 目录 一、建立100%可再生能源体系可能吗？专委会 二、如何构建100%可再生能源系统？ 三、煤电和电网如何支撑我国实现低碳低成本能源转型？ 四、100%可再生能源如何解决季节差的问题？ 五、发展建议 我国未来可再生能源体系架构 多能互补、源网荷一体 绿电绿热绿氢联合驱动 多场景综合应用 化石能源作为原料非能源利用，绿氢实现可再生能源系统的跨季节调节 挑战1：需要持续研究我国能源转型路径和技术发展路线图 中国科学院挑战2：实现碳中和及转型过程中的能源利用典型场景及技术经济性CHENESEACADEMY OFSCHENG 中国科学院挑战3如何充分挖掘煤炭能源安全压能舱石作用CHINESE ACADENY UF SCIENCE 能源安全 能源转型 双碳目标 逆全球化主义头能源安全形势严峻 数据来源：CarbonBrief 煤炭占我国一次能源储量的93.8%，是唯一能够满足紧急情况下能源需求的资源支撑风光消纳，煤电是我国最经济、最安全、最可靠的灵活电源煤炭碳排放规模巨大碳捕集利用与封存（CCUS）技术需求强烈 总体判断 挑战4：集中开发、远方消纳遭遇瓶颈，分布式面临系统稳定和管理变革 远距离输电面临外送通道不足和跨区管理的双重压力 跨省区输电成本高：大部分区域就地开发可再生能源比远距离输送更经济 就地就近消纳”已是必然趋势，促进可再生能源大规模应用，加速能源低碳或零碳转型 挑战5：高高载能行业是减碳困难户与可再生能源和绿氢结合需示范 高载能工业面临降本和减碳的双重压力 2020年工业用电占比67.4%，高载能行业占工业碳排放的55% 低成本可再生能源和高载能、绿氢技术结合，有望加速实现我国最难减碳领域的碳中和，供能成本有望下降20~50% 全应用场景分析 全场景分析 区域：西部、中东部、边远农牧区系统专委 集中、分布式 陆上、海上 电网支撑、自给自足 电网末端、无大电网、边远海岛 区域分布和发展模式研究 分区域：西部、中东部、边远 能源开发、利用、运行多模式研究 典型应用场景研究 可再生能源和高载能产业结合 高比例可再生能源多能互补及源网荷储一体化 钢铁艺流程电热氢耦合运行与协同控制 燃县域100%可再生能源系统 建设冷热电联供的100%可再生能源系统，零碳，更经济 乡村振兴边远农牧区 可再生能源和节能建筑结合解决用电，取暖、炊事等用能需求 大规模外送基地（西部和海上） 园区、建筑等典型场景可再生能源综合系统 利用分布式可再生能源解决园区、建筑的冷热电用能需求，实现区域100%可再生能源供能 风光肋力唐山市钢铁绿色低碳转型意仪重大 现有技术：2022年唐山钢铁电量769亿kWh，100%绿电替代可节约成本229亿元 唐山风光可开发量：3770万kW 风资源可开发量：陆上320万kW海上1670万kW 太阳能资源可开发量：1780万kW 纯氢冶炼/电炉炼钢技术：按124亿吨产量计算年用电量3149亿kWh，带动周边1.9亿kW风光就地消纳 铁化联产低碳低成本区综合能源系统示范 绿氧与铁化联产深度融合-绿氧提供原料及储能手段，降低CO2排放，消纳风光，更易示范 现有规划数据中心行业绿电替代助力碳减排 草原云谷-内蒙古算力核心区 经认定的数据中心企业参与电力多边交易电价：0.29~0.30元/kWh 按100%绿电替代测算，2025年，年均电费成本降低17.4亿元，支撑风电新增装机1000万kW 幕按自前30%绿电率测算绿电100%替代到2025年，降低数据中心电耗二氧化碳排放量960万吨/年 我国大部分县域可以就地就近实现100%可再生能源有望比现有的能源供应成本明显降低综合系 农牧区100%RE解决方案 四总设计原则 采用100%RE解决农牧区全部用能需求，包括取暖/饮事/照明/供暖/热水等需求 大电网覆盖区积极发展分布式光伏项目，采用自发自用余电上网模式确保项目投资收益大电网未覆盖区采用太阳能分布式发电与蓄热型电加热供暖相结合，加快实施示范点建设 改善型方案达到我国中东部发达地区用能水平，舒适型村户供能方案对标发达国家用能水平按JGJ26《严寒和寒冷地区居住建筑节能设计标准》供暖能耗为22.6kWh/m2。按蓄热功率1.6kW按日加热时长3小时，日可以蓄热4.8kWh，可以满足连续2个阴雨天的供暖需求 农牧区100%RE解决方案 ■农牧户用能方案设计 一本方案人均月用电量目标：85~178kWh一北京2023年人均月用电量为：127kWh>德国2023年人均月用电量：125kWh（独户家庭） 中图科学院构建100%RE体系主要的技术需求和挑战？CHENESE ACADEMY OF SCIENG RE波动性、间歇性、不确定性，需要大大增加灵活性调节、、系统韧性系统专委会 能量平衡及电功率即时平衡 能源系统重构及技术融合： 就地、就近和远距离输送的融合分区、分层及其之间的融合多能互补、冷热电联供、源网荷一体日内、日间、季节间的能量平衡和调度 您认为100%RE体系最难解决的供能需求是什么？系统专 如何角解早决？ There are a wide range or scenarios to decarbonise by2050 whichhighlights the overall uncertainty 沙戈荒外送基地满足碳中和需求吗？经济性如何？ 缺少明确的供需数据支撑 缺乏量化的源网荷一体化的仿真平台和设计软件 缺乏明确的优化技术方案：缺少对总体架构和总体技术方案的系统研究 是电力系统还是能源互联网：输电还是输氢、输气、输热 是总体的源、受和中间送端都是一个“源网荷储“还是简单化的就是多能互补的纯源，高压输送和受端单纯的荷？（氢热、气） 系统最佳容量配比、一体化调度还是分离 现有煤电的年满发小时数已经到4000多小时了，还要新建煤电、外送50%煤电对吗？ 中国科学院多能互补可再生能源外送基地需要什么样的煤电？LUINESEACADENIYOFSCTENCES 提供电和热的调节能力，电量是次要的 是否有可能用现有10%的煤电装机、20%的发电量，完全支撑同样容量的风光装机？ 10万kW锅炉+100万kW发电机+10h储热，实现自标！并支撑多风光装机30%以上，去掉电化学储能 中国科学院煤电如何在我国能源转型中发挥最大作用，并最终去煤”？ 抽水蓄能是国内外公认的最技术经济的调节手段 利用煤电锅炉改造储热调节灵活性改造比抽水蓄能技术经济性更好！ 现有煤电的灵活性改造、储热灵活性改造可大规模支撑新增风电、光伏装机 煤电成为调节电源11亿干瓦装机中4300小时减小到800/小时减小38.500亿度电，煤电减碳80%以上减小的电量可支撑风光20亿干瓦新增装机 11亿干瓦的煤电作为调节电源可支撑30亿干瓦以上的风，光装机 还有一系列增加风、光消纳的技术手段：预测、V2G、负荷响应、源网荷协同等 政策机制方面的非技术手段同等重要 现有的分布式光伏分散式风电的发展模式可持续吗？ 配电网支撑10%左右的农户农村安装光伏，电网压力大 要把每个户用系统可观、可测、可控、可调能做到吗？经济代价多大起多大作用？ 农村屋顶光伏潜力巨大，当地无法消纳的电力一次输送到更高电压电网和更大范围，能扩大多少分布式光伏装机？ 有更科学经济的方案吗？ 我国能源转型现实路径分析 煤电灵活性改造与抽蓄、燃气轮机、新型储能技术路线相比，技术成本最低 充分利用已有煤电装机进行灵活性改造+储热+抽蓄：可支撑风光装机100亿干瓦 充分利用现有火电转型的优点 保障能源安全，技术低成本 现有煤电装机都保留，保障紧急状况及极端气候基本供能安全基本不新建煤电机组新建的主要考虑调节能力，小锅炉+储热+大发电机 全国完善布局、节约成本 >已有发电装备及技术、人员电网体系，土地>从30~100%灵活调节到100%可再生能源可分段、分别改造 和现有电力体系有机融合 >大规模储热调节，惯性及电量》低电力电子化 目录 一、建立100%可再生能源体系可能吗？专委会 二、如何构建100%可再生能源系统？ 三、煤电和电网如何支撑我国实现低碳低成本能源转型？ 四、100%可再生能源如何解决季节差的问题？ 五、发展建议 西部某省区域内负荷与风光出力特性 负荷特征：双峰，度冬高于度夏可再生能源出力情况风电：春秋季大，冬季小光伏：冬季发电能力弱 青海玉树州负荷与风光出力特性 ■负荷特征：冬季明显大于夏季■可再生能源出力特征》风电：冬春季大，夏季小光伏：春季大，冬季发电能力弱》水电：夏季大冬季小 可考虑的措施 节能：降低供暖用能综合系统专委会 东西区域调节？ 储生物质能调节：热+电 跨季节储热供暖 氢能及其它长时储能 中国科学院绿氢值得期待研究其技术经济性 非能源利用 RE+绿氢+高载能，能源系统负荷响应（制、储） 和化石能源结合生成新物质CCUS 现在意义的弃风弃光制绿氢，跨季节使用，满足冬天用能 对现有储能进行日内和日间调节的影响？还用强配蓄电池吗？ 目录 一、建立100%可再生能源体系可能吗？专委会 二、如何构建100%可再生能源系统？ 三、煤电和电网如何支撑我国实现低碳低成本能源转型？ 四、100%可再生能源如何解决季节差的问题？ 五、发展建议 近几年五个重要观点 能源不可能三角（经济/安全/环保）完全可能实现 中国的碳中和有望2050年前实现 三.发
